多線蝸桿軸工藝分析與蝸桿宏程序設計

楊 旭， 顏 浩， 廖曉玲

(1.成都工貿職業技術學院， 四川 成都 611731； 2.衡陽市職業中等專業學校， 湖南 衡陽 421008)

多線蝸桿零件是車削加工中難題，很多學者對此進行深入分析研究。為解決加工中排屑順利，在數控車上加工蝸桿時采用強力彈性車刀[1]避免車削啃刀。合理設計加工程序，可提高生產效率[2-3]。多線蝸桿車削時關鍵在準確分頭，分頭不正確造成等距誤差大，嚴重影響與蝸輪的嚙合精度，降低使用壽命[4]。用宏程序編程實現分層車削大螺距螺紋，解決大螺距螺紋加工難題[5]。采用層切借刀法，利用G82螺紋切削循環指令和子程序解決加工過程斷刀現象，切削力大和刀尖受熱，保證產品的質量[6-8]。通過分層切削解決加工過程中梯形螺紋車刀各切削刃的受力分配問題，有效避免扎刀現象[9]。

本課題是某機械廠為攀鋼某企業加工的雙頭左旋蝸桿，毛坯為鍛件45鋼，毛坯件在車削加工前進行正火處理，去除材料的內應力，降低材料硬度，提高工件的塑性和綜合力學性能，為后期機械加工作準備。共計4件屬于小批量生產。根據現有數控設備CK6140數控車(西門子801系統)上進行加工。

1 多線蝸桿軸工藝分析及蝸桿刀具選擇

1.1 多線蝸桿軸工藝分析

如圖1所示，零件為阿基米德螺線蝸桿，軸向模數ms=5，蝸桿頭數Z1=2，齒形角α=20°，螺旋方向為左旋旋向，導程角γ=9°27′44″，精度等級為9DC，其余表面粗糙度為12.5 μm。零件各表面尺寸精度高，所以采用粗車(400～500 r/min)→半精車(700～800 r/min)→精車(1 000～1 200 r/min)的原則。毛坯件各表面留有5 mm的余量，粗車各表面后留1.5 mm半精加工余量，半精車后留0.5 mm進行精車。

粗加工工藝方案：平兩端端面并控制零件長度→鉆兩端中心孔→夾左端Φ40f9外圓→粗車Φ70h8→粗車右端Φ50→粗車右端Φ46→粗車右端Φ40f9→粗車右端Φ40k6→調頭夾右端已粗車外圓Φ40f9(軟卡爪或開口套裝夾)→粗車左端Φ50→粗車左端Φ46→粗車左端Φ40f9→粗車左端Φ40k6→粗車左端Φ25k6→粗車螺紋外圓。

半精加工工藝方案：夾右端已粗車外圓Φ40f9→百分表校正圓柱表面的圓跳動并調整車床尾座→主軸轉速提高到700～800 r/min→背吃刀量ap=1 mm→半精車Φ70h8→半精車左端Φ50→半精車左端Φ46→半精車左端Φ40f9→半精車左端Φ40k6→半精車左端Φ25k6→半精車螺紋外圓→調頭夾左端已半精車外圓Φ40f9(軟卡爪或開口套裝夾)→半精車右端Φ50→半精車右端Φ4→半精車右端Φ40f9→半精車右端Φ40k6。

圖1 多線蝸桿軸零件圖

精加工工藝方案：夾左端已半精車外圓Φ40f9(軟卡爪或開口套裝夾)→百分表校正圓柱表面圓跳動在0.025 mm以內→主軸轉速提高到1 000～1 200 r/min→背吃刀量ap=0.5 mm→精車Φ70h8→精車右端Φ50→精車右端Φ46→精車右端Φ40f9→精車右端Φ40k6→調頭裝夾右端已精車外圓Φ40f9(軟卡爪或開口套裝夾)→精車左端Φ50→精車左端Φ46→精車左端Φ40f9→精車左端Φ40k6→精車左端Φ25k6→精車螺紋外圓→切Φ16.4×5槽→車削三角螺紋M20→車削雙線蝸桿→最后進行鍵槽35×8×4 mm銑削加工。

如果先裝夾右端車削左端，最后精加工時要進行多一次的裝夾工序。加工工藝方案采用先夾左端車削右端可以提高效率，減少加工中空刀量時間，減少裝夾次數所產生的誤差。蝸桿部分圓柱表面的圓跳動為0.025 mm，需用兩頂尖進行裝夾和百分表校正。用軟卡爪或開口套進行裝夾已加工表面的使已加工表面不損壞和變形。為達到各表面的尺寸精度采用粗車、半精車、精車原則進行加工。該零件是左旋蝸桿加工時刀具應從卡盤方向向尾座方向移動車削。

1.2 蝸桿車刀選擇

此蝸桿為左旋蝸桿，導程角γ=9°27′44″很大，如果使用整體式高速鋼蝸桿車刀，右邊的后角刃磨會很傾斜，造成蝸桿車刀刀頭強度降低，車削時容易打壞刀尖。為改善車削所達到的要求，采用可調螺旋角強力彈性刀進行車削，避免降低刀頭強度和扎刀現象，如圖2所示。

1.刀頭 2.壓刀螺釘 3.刀桿 4.彈簧套 5.方套 6.螺母圖2 可調強力彈性車刀

2 蝸桿主要尺寸及分線方法

2.1 蝸桿主要參數計算

導程：L=nP=nπms=2×3.14×5=31.4 mm

全齒高(半徑值)：h=2.2ms=2.2×5=11 mm

齒根槽寬：w=0.697ms=0.697×5=3.485 mm

齒頂寬：f=0.843ms=0.843×5=4.215 mm

切削力計算公式：FZ≈2 000apf(式中ap為被吃刀量，f為多線蝸桿的導程，即f=L)

FZ≈2 000apf=2 000apL=2 000×0.2×31.4=12 560 N

2.2 多線蝸桿常用分線方法

蝸桿常用分線方法有軸向分線法和圓周分線法，考慮到數控車床刀架的重復定位誤差，此次多線蝸桿的加工采用圓周分線法進行，通過螺紋加工指令G33設置相應的旋轉角度達到加工要求。從而保證多線蝸桿的分線精度。

3 多線蝸桿車削方法選擇及宏程序設計

3.1 多線蝸桿車削方法

蝸桿的車削方法分低速和高速切削兩種。精度要求較高的蝸桿或單件生產時需低速切削加工。低速切削螺紋方法有直進法、斜進法、左右車削法和車階梯槽法，如圖3所示，這會影響零件加工效率和加工質量。通過計算我們知道車削蝸桿時的切削力為12 560 N，如果牙槽一次車削成型刀具將承受巨大的切削力，刀具刀尖散熱困難，排屑困難，且刀尖容易折斷。為解決上述問題采用分層車削法將牙槽分成若干層，把深的槽分成若干個較淺的槽進行加工(如圖3d)，降低車削難度。

圖3 蝸桿車削方法

3.2 左(右)移刀量的計算

由于左右車削時槽深不變，刀具只須向左或向右移動即借刀。左右都有一定的余量，需要將左右的余量進行切除，如圖4所示。當前層余量加工時存在下面兩種情況：刀頭寬度等于牙槽底寬和刀頭寬度小于牙槽底寬。

圖4 余量計算表示圖

當前層斜面部分對應的余量：

ΔX=(h-ΔZ)×tanα

刀頭小于牙槽寬度時左右牙槽單邊剩余余量：

(1)當刀頭寬度等于牙底槽寬時，左(右)總余量計算如下所示。

ΔX′=ΔX=(h-ΔZ)×tanα

(2)當刀頭寬度小于牙底槽寬時，左(右)總余量計算如下所示。

ΔX′=(h-ΔZ)×tanα+W′

3.3 多線蝸桿宏程序設計

N1 R1=3.14πN2 R2=5mxN3 R3=20壓力角N4 R4=2.2?R2全齒高N5 R5=2線數N6 R6=R1?R2?R5導程N7 R7=70蝸桿公稱直徑dN8 R8=0.697?R2蝸桿齒槽寬wN9 R9=2蝸桿車刀刀尖寬N10 R10=0X遞增量初始值N11 R11=0.2X遞增量N12 R12=(R8-R9)/2N13 R13=84蝸桿長度N14 R14=85X退刀量N15 R15=-5Z退刀量N16 T1D1 M03 S500N17 G94 G00 X=R14 Z=R15N18 AA: R10=R10+R11N19 R16=R7-2?(R10)N20 G00 X=R16N21 G33 Z=R13 K=R6 SF=0(或180)N22 G00 X=R14N23 Z=R15N24 R17=TAN(R3)?(R4-R10)+R12N25 R18=0.05N26 BB:G00 Z=(R15+R18)N27 X=R16N28 G33 Z=R13 K=R6 SF=0(或180)N29 G00 X=R14N30 Z=R15N31 R18=R18+0.05N32 IF(R18<=R17) GOTOB BBN33 G00 Z=R15N34 R17=TAN(R3)?(R4-R10)+R12N35 R18=0.05N36 CC:G00 Z=(R15-R18)

注意：(1)多線蝸桿分線的方法通過改變螺紋加工指令G33后面的SF旋轉角度即可。通過修改宏程序前面的相應參數可以進行不同蝸桿或者梯形螺紋的加工，而無需重新編寫相應程序，達到高效快捷的目的。

(2)控制多線蝸桿精度車削的方法是把蝸桿實際車刀刀尖尺寸R9數值寫大些，根據實際車削檢查情況進行修改此參數，達到控制蝸桿尺寸精度的要求。

3.4 加工效果圖

車削出的雙頭蝸桿實物圖如圖5所示。選擇左右車削法和宏程序編程，加工時充分澆注冷卻液進行冷卻，保證零件的表面粗糙度和精度，加工效果良好。且刀具不被損壞，提高加工效率。

圖5 蝸桿效果圖

4 結論

優化的工藝設計保證多線蝸桿軸零件加工精度、表面粗糙度和生產效率。多線蝸桿車削是數控車削中的一個熱點，利用分層切削法、宏程序編程和強力彈性車刀相結合方式保證零件的加工質量。并解決蝸桿車削牙槽深排屑難、切削力大、易振動啃刀和刀尖受熱等難題，提高蝸桿生產效率。利用G33螺紋加工指令進行圓周分線，避免分線誤差，保證合格的多線蝸桿的車削。